Einführung in das Thema Strahlungsdetektoren

Für diejenigen, die mit oder in der Nähe von Strahlung arbeiten, ist einer der wichtigsten Faktoren das Bewusstsein für die Strahlungswerte in ihrer Umgebung. Dies wird in erster Linie durch den Einsatz von Strahlungsdetektoren unterschiedlicher Art erreicht. Ein grundlegendes Verständnis der verschiedenen Detektortypen und ihrer Funktionsweise kann sehr hilfreich sein, um den besten Detektor für die gewünschte Aufgabe zu finden und die Vorteile durch den Betriebs dieses Detektors zu maximieren.

EINE ANMERKUNG ZUM THEMA „GEIGERZÄHLER“

Wann immer an Strahlungsdetektion gedacht wird, neigen viele dazu, alle Detektoren als „Geigerzähler“ zu bezeichnen – ein Missverständnis, das durch populäre Fernsehsendungen und Filme noch gefördert wird. Obwohl eine der gängigsten Arten von Strahlendetektoren tatsächlich als „Geiger-Müller-Röhre“ bezeichnet wird, ist der Begriff „Geigerzähler“ nicht immer der passendste. Sie gilt für einen ganz bestimmten Detektortyp und im Allgemeinen für eine bestimmte Anwendung dieses Detektors. Strahlungsdetektionsgeräte werden typischerweise nach dem Typ des verwendeten Detektorelements oder nach der jeweiligen Anwendung kategorisiert. Man bezeichnet Instrumente als Ionisationskammer, als Überwachungsmessgerät, Kontaminationsmessgerät oder als Friskersonde. Die Populärwissenschaft hat den korrekten Gebrauch des Wortes „Geigerzähler“ so gründlich verzerrt, dass er meist nicht genug über das Gerät selbst aussagt.

DIE ERSTEN STRAHLUNGSDETEKTOREN

Seit den Anfängen der Strahlungstestung durch Röntgen und Becquerel haben Wissenschaftler nach Möglichkeiten gesucht, die von den zu untersuchenden Materialien abgegebene Strahlung zu messen und zu beobachten. Eines der frühesten Hilfsmittel zur Erfassung von Radioaktivitätsdaten war die photografische Platte. Hierfür wurde eine photografische Platte in den Strahlengang bzw. in die Nähe eines radioaktiven Strahls oder Materials gebracht. Wenn die Platte entwickelt wurde, zeigte sie Flecken oder war durch die Strahlungsbelastung getrübt. Henri Becquerel wandte eine ähnliche Methode an, um 1896 die Existenz von Strahlung nachzuweisen.

Ein weiterer gängiger Detektor der Anfangszeit war das Elektroskop. Dieses verwendete ein Paar Goldblätter, die sich durch die von der Strahlung verursachte Ionisierung aufladen und sich gegenseitig abstoßen. Damit konnte die Strahlung mit einer höheren Empfindlichkeit gemessen werden, als dies mit photografischen Platten zuverlässig möglich war. Je nach Anordnung des Geräts konnten sie für die Messung von Alpha- oder Betateilchen konfiguriert werden und waren ein wertvolles Werkzeug für frühe Experimente mit Radioaktivität.

Das Spinthariskop, ein interessantes Gerät aus den Frühzeiten der Forschung, entstand aus dem Bedürfnis heraus, individuelle Partikel oder Strahlen zu messen. Es bot eine feinere Messmethode gegenüber der groben Erfassung eines radioaktiven Feldes. Das Spinthariskop wurde von William Crookes entwickelt, dem Erfinder der Crookes-Röhre, die Wilhelm Roentgen zur Entdeckung der Röntgenstrahlen nutzte. Es bestand aus einem Zinksulfidschirm am Ende einer Röhre und einer Linse am anderen Ende. In unmittelbarer Nähe des Zinksulfidschirms befand sich eine kleine Menge radioaktiver Substanz. Das Zinksulfid würde mit den emittierten Alphateilchen reagieren, und jede Wechselwirkung würde zu einem winzigen Lichtblitz führen. Das war eine der ersten Methoden, Zerfallsraten zu zählen – ein mühsamer Prozess, bei dem Wissenschaftler abwechselnd die Lichtblitze überwachen und zählen mussten. Das Spinthariskop war als langfristige Lösung für die Strahlungsdetektion nicht sehr praktisch, obwohl es später im 20. Jahrhundert als Lehrmittel ein Revival erlebte. Diese Tendenz bestimmter Materialien, Licht abzugeben, wenn sie Strahlung ausgesetzt werden, könnte sich auch für zukünftige Technologien zur Strahlungsdetektion als nützlich erweisen.

Diese frühen Geräte und viele andere, wie z.B. Nebelkammern, waren wertvoll für die Entwicklung eines Verständnisses der grundlegenden Prinzipien der Strahlung und die Durchführung wichtiger Experimente, die den Boden für spätere Entwicklungen bereiteten. Dazu gehörte auch die Entwicklung neuer Arten von Strahlungsdetektoren, von denen viele noch heute im Einsatz sind, wie z. B. G-M-Röhren, Ionisationskammern und Szintillatoren.

WOFÜR BZW. WANN WERDEN STRAHLUNGSDETEKTOREN BENÖTIGT

Wenn Sie wissen wollen, welchen Detektortyp Sie verwenden sollen, müssen Sie eine Vorstellung davon haben, wie und wo er eingesetzt werden soll. Verschiedene Anwendungen und Umgebungen erfordern verschiedene Arten von Detektoren, da sich jeder Detektortyp auf verschiedene Weise für eine spezifische Funktion spezialisieren lässt. Die Anwendungen für Strahlungsdetektionsgeräte lassen sich grob in ein paar verschiedene Kernaufgaben einteilen: Messung, Schutz, Auffindung.

Strahlungsmessung ist in Situationen erforderlich, in denen das Vorhandensein radioaktiver Materialien bekannt ist und überwacht werden muss. Das Ziel bei dieser Art der Detektion ist es, Bewusstsein zu schaffen: Bewusstsein der Stärke eines etablierten radioaktiven Feldes, die Grenzen eines Strahlungsbereichs oder die Ausbreitung radioaktiver Kontamination. Dies sind Umgebungen, in denen das Vorhandensein von Strahlung erwartet oder zumindest für wahrscheinlich gehalten wird. Die Anforderungen an die Detektoren, die in diesen Umgebungen zum Einsatz kommen, sind einzigartig. Sie haben oft einen relativ großen Messbereich oder müssen modifiziert werden, um nach einer bestimmten Art von Strahlung zu suchen.

Der Strahlenschutz ähnelt den Anwendungen zur Strahlungsmessung insoweit, als er in der Regel in einem Umfeld stattfindet, in dem Strahlung zu erwarten ist. Die Ziele unterscheiden sich jedoch voneinander. Bei den Einstellungen zur Messung der Strahlung liegt das Ziel darin, die Radioaktivität selbst zu überwachen, um Schwankungen, Grenzen usw. festzustellen. Beim Strahlenschutz hingegen liegt der Fokus auf der Kontrolle der Strahlenexposition bei Personen. Das bekannteste Beispiel hierfür ist die Strahlendosimetrie: Strahlenschutzdosimeter werden von medizinischem Personal, Beschäftigten in der Nuklearindustrie und vielen anderen beruflich exponierten Personen auf der ganzen Welt getragen. Dies bedeutet, dass sie Schutz vor den schädlichsten Auswirkungen der Strahlenexposition bietet. Träger können stets über das Ausmaß ihrer Strahlenbelastung informiert bleiben und wie diese sich auf mögliche Gesundheitseffekte auswirken könnte. Entsprechend können sie ihr Verhalten, ihre Positionierung oder ihre Zeitpläne anpassen.

Die Suche nach Strahlenquellen unterscheidet sich von den beiden anderen grundlegenden Detektionsanwendungen insofern, dass Strahlung im untersuchten Gebiet nicht zu erwarten ist und dass auch keine auftauchen sollte. Strahlungssuche ist vor allem das Ziel von Strahlenschutzpersonal, Ersthelfern oder Gruppen wie Zoll- und Grenzbeamten und bringt unterschiedliche Anforderungen mit sich, die die stark variierenden Einsatzbedingungen reflektieren. Die Detektoren müssen hochempfindlich sein, wobei die Besorgnis eher kleineren, versteckten radioaktiven Quellen oder Materialien gilt. Auch die Spektroskopie ist oft sehr hilfreich, da meist nur eine kleine Untergruppe radioaktiver Isotope bedenklich ist. Es ist entscheidend, Isotope zu identifizieren, die aus legitimen Gründen wie medizinischer Behandlung vorhanden sind oder die Teil einer natürlichen Ansammlung radioaktiver Substanzen sind.

Diese drei Kategorien und die unterschiedlichen Aufgaben, die ihnen zugeordnet sind, helfen dabei, den optimalen Typ von Instrument oder Detektor für die jeweilige Aufgabe auszuwählen.

TYPEN

Bei Messgeräten zur Strahlungsdetektion werden je nach den spezifischen Anforderungen des Geräts vor allem drei Detektortypen am häufigsten eingesetzt: gasgefüllte Detektoren, Szintillatoren und Festkörperdetektoren. Jeder dieser Detektoren hat verschiedene Stärken und Schwächen, die ihn für seine spezifische Rolle empfehlenswert machen.

GASGEFÜLLTE DETEKTOREN

Die erste Art von Strahlendetektoren, also gasgefüllte Detektoren, gehören zu den am häufigsten verwendeten. Es gibt verschiedene Arten von gasgefüllten Detektoren, die sich zwar in ihrer Funktionsweise unterscheiden, aber alle auf ähnlichen Prinzipien beruhen. Wenn das Gas im Detektor mit Strahlung in Berührung kommt, reagiert es, wobei das Gas ionisiert wird und die daraus resultierende elektronische Ladung von einem Messgerät gemessen wird.

Die verschiedenen Arten von gasgefüllten Detektoren sind: Ionisationskammern, Proportionalzähler und Geiger-Müller (G-M)-Röhren. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zwischen diesen verschiedenen Typen ist die an den Detektor angelegte Spannung, die die Art der Reaktion bestimmt, die der Detektor bei einem Ionisierungsereignis registriert.

IONISATIONKAMMER-DETEKTOREN

Am unteren Ende der Spannungsskala für gasgefüllte Detektoren befinden sich Ionisationskammern . Sie arbeiten mit einer niedrigen Spannung, d.h. der Detektor registriert nur die Messung der "primären" Ionen (in Wirklichkeit Ionenpaare: positiv geladene Ionen und freie Elektronen), die durch die Wechselwirkung mit einem radioaktiven Photon in der Reaktionskammer entstehen. Die Messung, die der Detektor aufzeichnet, ist also direkt proportional zur Anzahl der erzeugten Ionenpaare. Dies ist besonders nützlich als Maß für die absorbierte Dosis über die Zeit. Sie sind auch für die Messung hochenergetischer Gammastrahlen wertvoll, da bei ihnen keine Probleme mit der Totzeit auftreten wie bei anderen Detektortypen.

Ionisationskammern sind jedoch nicht in der Lage, zwischen verschiedenen Arten von Strahlung zu unterscheiden, sodass sie nicht für die Spektroskopie verwendet werden können. Sie können tendenziell auch teurer als andere Lösungen sein. Trotzdem sind sie wertvolle Detektoren für Überwachungsmessgeräte. Sie werden in Laboren auch häufig zur Festlegung von Referenzstandards für Kalibrierungen eingesetzt.

PROPORTIONALZÄHLER

Die nächste Stufe auf der Spannungsskala für gasgefüllte Detektoren ist der proportionale (oder gasproportionale) Zähler. Sie sind in der Regel so konzipiert, dass sie für einen Großteil des Bereichs innerhalb der Kammer ähnlich wie eine Ionisationskammer funktionieren, da durch die Wechselwirkung mit der Strahlung Ionenpaare entstehen. Die Spannung ist jedoch so stark, dass die Ionen zur Anode des Detektors „driften“. Wenn sich die Ionen der Anode des Detektors nähern, steigt die Spannung, bis sie einen Punkt erreichen, an dem ein „Gasverstärkungseffekt“ auftritt.

Gasverstärkung bedeutet, dass die ursprünglichen Ionen, die durch die Reaktion mit einem Strahlungsphoton entstanden sind, weitere Ionisierungsreaktionen auslösen, die die Stärke des über den Detektor gemessenen Ausgangsimpulses vervielfachen. Der resultierende Impuls ist proportional zur Anzahl der gebildeten ursprünglichen Ionenpaare. Diese korreliert mit der Energie der Strahlung, die nachgewiesen wird.

Das macht Proportionalzähler für einige Spektroskopieanwendungen sehr nützlich, da sie auf unterschiedliche Energien unterschiedlich reagieren und somit auch in der Lage sind, zwischen verschiedenen Arten von Strahlung zu unterscheiden. Sie sind außerdem sehr empfindlich, was sie zusammen mit ihrer Effektivität bei der Alpha- und Beta-Detektion und -Diskriminierung für das Kontaminations-Screening sehr wertvoll macht.

GM-RÖHRE

Die letzte große Klasse der gasgefüllten Detektoren ist das Geiger-Müller-Rohr, von dem der Name „Geigerzähler“ stammt. Diese arbeiten mit einer viel höheren Spannung als andere Detektortypen und unterscheiden sich von diesen dadurch, dass jede Ionisierungsreaktion einen Gasverstärkungseffekt über die gesamte Länge der Anode des Detektors verursacht –unabhängig davon, ob es sich um eine Einzelteilchenwechselwirkung oder einen höheren Energieübertrag handelt. Daher können sie nur als einfache Zählgeräte zur Messung von Zählraten oder, bei Anwendung der richtigen Algorithmen, von Dosisleistungen eingesetzt werden.

Nach jedem Impuls muss ein G-M in seinen ursprünglichen Zustand „zurückgesetzt“ werden. Dies wird durch Gaslöschung (Quenching) erreicht. Diese kann elektronisch erreicht werden, indem die Anodenspannung am Detektor nach jedem Impuls vorübergehend gesenkt wird, sodass die Ionen wieder in ihren inerten Zustand zurückkehren können. Dies kann auch chemisch mit einem Löschgas wie Halogen erreicht werden, das die von einer Ionisationslawine erzeugten zusätzlichen Photonen absorbiert, ohne selbst ionisiert zu werden.

Aufgrund der umfangreichen Reaktion, die G-M-Röhren bei jedem Strahlungsimpuls erfahren, kann bei höheren Expositionsraten eine sogenannte „Totzeit“ auftreten. Dies bedeutet, dass zwischen der Impulskaskade und dem Zeitpunkt, an dem das Gas wieder bereit ist, einen neuen Impuls zu detektieren, eine Verzögerung entsteht. Dies kann durch eine Kalibrierung oder durch Algorithmen in den Detektionsgeräten selbst ausgeglichen werden, die anhand der vorhandenen Messdaten "berechnen", wie hoch die zusätzlichen Impulse aufgrund der existierenden Messdaten wären.

SZINTILLATOREN

Der zweite wichtige Detektortyp, der in Strahlungsdetektionsgeräten verwendet wird, sind Szintillationsdetektoren. Szintillation ist die Abgabe von Licht. Bei der Strahlungsdetektion ist dies die Fähigkeit einiger Materialien zu szintillieren, wenn sie der Strahlung ausgesetzt werden, was sie als Detektoren nützlich macht. Jedes Photon der Strahlung, das mit dem Szintillatormaterial in Wechselwirkung tritt, führt zu einem deutlichen Lichtblitz, dessen Intensität proportional zur deponierten Energie des Photons ist. Das bedeutet, dass Szintillationsdetektoren nicht nur hochempfindlich sind, sondern auch spezifische spektroskopische Profile der gemessenen radioaktiven Stoffe erfassen können.

Szintillationsdetektoren funktionieren durch die Verbindung eines Szintillatormaterials mit einer Photomultiplier- oder Sekundärelektronenvervielfacher--Röhre (PM-Röhre). Die PM-Röhre verwendet ein Photokathodenmaterial, um jeden Lichtimpuls in ein Elektron umzuwandeln und verstärkt dieses Signal erheblich, um einen Spannungsimpuls zu erzeugen, der abgelesen und interpretiert werden kann. Die Anzahl der im Laufe der Zeit gemessenen Impulse zeigt die Stärke der radioaktiven Quelle an. Zusätzlich liefert die spezifische Energie der Strahlung, ersichtlich durch die Anzahl der in jedem Impuls erfassten Lichtphotonen, Informationen über die Art des vorliegenden radioaktiven Materials.

Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und ihrer potenziellen Fähigkeit, radioaktive Quellen zu identifizieren, sind Szintillationsdetektoren besonders nützlich für Anwendungen im Strahlenschutz. Diese können viele Formen annehmen, von tragbaren Geräten, die zur Durchleuchtung von Containern auf verstecktes oder abgeschirmtes radioaktives Material verwendet werden, bis hin zu Monitoren. Letztere werden eingerichtet, um große Gebiete oder Bevölkerungsgruppen zu überwachen. Sie sind in der Lage, zwischen natürlichen oder medizinischen Strahlungsquellen und Quellen von unmittelbarerem Interesse wie speziellem Nuklearmaterial (SNM) zu unterscheiden.

FESTKÖRPERETEKTOREN

Die letzte wichtige Detektortechnologie, die in Strahlungsdetektionsgeräten verwendet wird, sind Festkörperdetektoren. Sie verwenden in der Regel ein Halbleitermaterial wie Silizium und funktionieren ähnlich wie eine Ionisationskammer, nur in einem viel kleineren Maßstab und mit einer viel niedrigeren Spannung. Halbleiter sind Materialien, die einen hohen Widerstand gegen elektrischen Strom haben, aber nicht so hoch wie bei einem Isolator. Sie bestehen aus einem Atomgitter, das „Ladungsträger“ enthält – entweder Elektronen, die sich an ein anderes Atom anlagern können, oder Elektronen-„Löcher“, also Atome mit einer leeren Stelle, wo sich ein Elektron befinden könnte.

Silizium-Festkörperdetektoren bestehen aus zwei Schichten Silizium-Halbleitermaterial: einer „n-Typ“-Schicht, was bedeutet, dass sie mehr Elektronen im Vergleich zu Löchern enthält, und einer „p-Typ“-Schicht, was bedeutet, dass sie mehr Löcher als Elektronen hat. Elektronen vom n-Typ wandern zwischen den beiden Schichten und füllen die Löcher im p-Typ, wodurch eine sogenannte Verarmungszone entsteht.

Diese Verarmungszone funktioniert wie der Detektionsbereich einer Ionisationskammer. Die Strahlung, die mit den Atomen in der Verarmungszone wechselwirkt, führt dazu, dass diese re-ionisieren und einen elektrischen Impuls erzeugen, der gemessen werden kann. Die geringe Größe des Detektors und der Verarmungszone ermöglicht eine schnelle Sammlung der Ionenpaare. Dadurch können Instrumente, die diesen Detektortyp nutzen, eine besonders schnelle Reaktionszeit aufweisen. Dies in Verbindung mit ihrer geringen Größe macht diesen Typ von Festkörperdetektoren sehr nützlich für elektronische Dosimetrie-Anwendungen. Außerdem können sie über ihre Lebensdauer hinweg einer viel höheren Strahlungsmenge überleben als andere Detektortypen wie G-M-Röhren, was sie auch in Instrumenten in Bereichen mit besonders starken Strahlungsfeldern nützlich macht